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102學年度期末專題發表
不同混合比例之奈米多孔性二氧化鈦薄膜
應用於染料敏化太陽能電池光電極之探討
專題生:黃進坤
指導老師:周學韜博士
摘要
Thickness(µm)
本研究主要是探討TiO2 (P90與P25)，兩種不同二氧化鈦粒子混合應用於染料敏化太陽能電池光電極之分析，實驗第一階段，利用旋轉塗佈法將備製
的二氧化鈦五種不同混合比例旋塗於工作電極，比例分別為P90:P25=10:0、7.5:2.5、5:5、2.5:7.5、0:10，其二氧化鈦膠體備製以改變去離子水為主要變
因，將光電極使用透明導電玻璃ITO作為基底，探討使用加入去離子水4.5ml與加入去離子水5ml，兩者所量測之厚度及測量光電轉換特性，實驗後發現
最高效率出現於加入去離子水4.5ml的樣本中，P90:P25=7.5:2.5與P90:P25=5:5，兩者有最高光電轉換特效率，其開路電壓均為0.75V，短路電流均為
5.42mA，填充因子均為0.58，其光電轉換效率為2.36%。實驗第二階段，光電極改用透明導電玻璃FTO作為基底，使用較佳的去離子水4.5ml作為參數，
一樣備製五種不同混合比例之二氧化鈦，去觀察其光電極薄膜厚度與模擬太陽光測量光電轉換特性，此研究可作為實驗室未來備製二氧化鈦膠體參數
表1、薄膜測厚儀之厚度量測
之參考。
3
ITO(DI-water:4.5ml)
前言
科學家Michael Gratzel所領導的團隊致力於染料敏化太陽能電池(Dye
Sensitized Solar Cell，DSSC)之研究[1] ，其製作成本低，且不需要昂貴設
備及無塵室等昂貴設施，且其電池模組之成本低於其他薄膜太陽能電池
[2,3]，但其研究目前還屬於開發階段，光電轉換效率是所有太陽能電池中
較低者，所以近年來有很多學者研究如何提高其光電轉換效率，而本實驗
將以染料敏化太陽能電池之光電極去做探討，分別調製TiO2(P90與P25)混
合膠體[4]，經由實驗比較混合膠體對於光電轉換特性之影響，另外也加入
不同去離子水及不同光電極基底的變數，模擬太陽光測量其光電轉換特性。
ITO(DI-water:5ml)
FTO(DI-water:4.5ml)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
10:0
7.5:2.5
5:5
P90:P25比例
2.5:7.5
0:10
實驗流程
調配不同混合比例之二氧化鈦膠體溶液
使用丙酮、乙醇、
去離子水分別將
ITO、FTO導電
玻璃清洗乾淨
以氮氣將玻璃表面
吹乾黏貼真空膠帶
於導電玻璃基板上
完成透明導電薄膜
玻璃基板清洗步驟
以旋轉塗佈法製備
二氧化鈦薄膜光電極
光電極浸泡於N719染
料持續24小時
圖1，ITO二氧化鈦五種不同混合
比例之I-V曲線圖(DI-water:4.5ml)
放入高溫退火爐
以450℃燒結30分鐘
薄膜測厚儀
之厚度量測
探討薄膜厚度特性
對染料敏化太陽能
電池之影響
圖2，ITO二氧化鈦五種不同混合
比例之I-V曲線圖(DI-water:5ml)
注入電解液
並模擬太陽光量測其
DSSC之特性
P90:P25
Voc
(V)
Isc
(mA)
F.F.
(%)
η
(%)
10:0
0.75
4.99
61.72
2.30
7.5:2.5
0.75
5.42
58.46
2.36
5:5
0.75
5.42
57.95
2.36
2.5:7.5
0.74
5.19
58.84
2.27
0:10
0.75
3.68
61.78
1.71
表2、ITO光電極之太陽能模擬量測特性(DI-water:4.5ml)
完成染料敏化太陽能
電池不同混合比例光
電轉換特性量測比較
P90:P25
Voc
(V)
Isc
(mA)
F.F.
(%)
η
(%)
10:0
0.75
4.71
65.19
2.32
7.5:2.5
0.75
4.27
65.80
2.10
5:5
0.74
3.95
63.64
1.86
2.5:7.5
0.75
5.31
62.94
2.49
0:10
0.74
1.50
64.45
0.71
表3、FTO光電極之太陽能模擬量測特性(DI-water:4.5ml)
結果與討論
圖3，FTO二氧化鈦五種不同混合
比例之I-V曲線圖(DI-water:4.5ml)
結論
本實驗以TiO2P90與TiO2P25備製五種不同混合比例之二氧化鈦膠體，經
本研究學生將尋找最佳二氧化鈦膠體之不同比例，對於模擬太陽光光電 由研究後發現，當ITO作為基底時，加入4.5ml去離子水，P90:P25=7.5:2.5
轉換特性，如圖1所示，在實驗第一階段，學生將二氧化鈦分成五種比例，與5:5比例中，可以達到最佳效率2.36%。實驗中也發現，不管是以ITO或
分別是P90:P25=10:0、7.5:2.5、5:5、2.5:7.5、0:10，以去離子水DI-water作 是FTO作為基底，P90:P25=0:10比例效率都是最低。
為變數，討論以透明導電玻璃ITO作為光電極基底，分別加入4.5ml與5ml
參考文獻
去離子水，量測光電極薄膜厚度及模擬太陽光光電轉換特性，實驗結果得
到去離子水加入4.5ml的實驗樣本，如表2所示，光電轉換效率都大約落在
2%以上，比例7.5:2.5與比例5:5都達到最高效率2.36%，而去離子水加入 [1]Brlan O’regan, Michael.Grätzel, “A Low-Cost, High-Efficiency Solar Cell
5ml的實驗樣本，如圖2所示，I-V曲線圖中短路電流明顯下降，其光電轉 Based on Dye-Sensitized Colloidal TiO2 Films”, Nature , Vol. 353, pp.737-740,
1991.
換效率都在1%~2%之間，最高效率達到1.92%。
厚度量測的部分，如表1所示，加入去離子水5ml的比加入去離子水4.5ml [2]J. Halme, “Dye-sensitized nanostructured and organic photovoltaic cells:
厚度較為薄，厚度幾乎都在1µm之間，而去離子水4.5ml的厚度幾乎都在 technical review and preliminary tests”, thesis Helsinki University of Techology,
2µm，此可發現多加0.5ml的去離子水會使二氧化鈦膠體較不濃稠[4,5]，厚 2002.
[3]J. E. Trancik and K. Zweibel, Technology choice and cost reduction potential
度會下降，效率也跟著下降。
學生以表現較好的去離子水比例4.5ml，進行第二階段實驗，如圖3及表3 of photovoltaics, “The 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion
所示，使用透明導電玻璃FTO作為光電極基底，使用相同的二氧化鈦五種 (WCPEC-4)”, Waikoloa, Hawaii, May 7-12, 2006.
不同混合比例，實驗後發現最高效率是發生在P90:P25=2.5:7.5比例中，最 [4]許勝翔,“染料敏化太陽能電池效率提升之二氧化鈦多層孔隙薄膜元件最
高效率可達2.49%，但其厚度與其他不同比例變化太大，可能是因為發生 佳化結構設計”,碩士論文,國立雲林科技大學, 2010.
膠體不均勻的情況發生所導致，屬於人為誤差，所以在這裡不考慮這個樣 [5]Kun-Mu Lee, Vembu Suryanarayanan , Kuo-Chuan Ho, "The influence of
本，而經過此實驗，如表3所示，可以發現不管是以ITO屬於人為或FTO當 surface morphology of TiO2 coating on the performance of dye-sensitized solar
作基底，在去離子水為4.5ml的情況下，P90:P25=0:10的比例，其光電轉換 cells," Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 90, pp. 2398-2404, 2006.
效率都是最低的，此研究可以作為實驗室未來參數之設定方向。